FOXO1在腫瘤中的自噬調(diào)節(jié)作用及其研究進(jìn)展

劉維華，譚 娜，鄭 洪

自噬或巨自噬是真核生物中進(jìn)化保守的分解代謝過程，也是對感染、中毒、缺氧和營養(yǎng)狀態(tài)改變等細(xì)胞應(yīng)激作出反應(yīng)的重要適應(yīng)機(jī)制，其在調(diào)節(jié)能量平衡、腫瘤轉(zhuǎn)移、免疫逃避和治療抵抗等方面發(fā)揮重要作用[1]。叉頭框O1(forkhead box O1, FOXO1)是FOX家族O亞族FOXOs中的重要一員，其在細(xì)胞周期阻滯、凋亡、衰老、分化等方面都具有重要的調(diào)控功能[2]。近來研究表明，F(xiàn)OXO1在腫瘤的自噬調(diào)節(jié)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，對其調(diào)節(jié)機(jī)制的深入研究有望為腫瘤治療提供新的靶點(diǎn)和治療方案[1-3]。該文就FOXO1的結(jié)構(gòu)與功能、自噬的調(diào)節(jié)功能、FOXO1與自噬調(diào)節(jié)的關(guān)系、FOXO1-自噬調(diào)控在腫瘤中的作用與機(jī)制及其在腫瘤治療和預(yù)后方面的作用進(jìn)行綜述。

1 FOXO1的結(jié)構(gòu)與功能

FOXO1基因位于人染色體13q14上，編碼655個氨基酸，幾乎在所有器官和組織中均表達(dá)。FOXO1最初是在肺泡橫紋肌肉瘤中作為配對盒基因3(pair box gene 3, PAX3)或PAX7 DNA結(jié)合區(qū)域的融合蛋白被發(fā)現(xiàn)的，這初步表明FOXO1與腫瘤進(jìn)展相關(guān)[3]。磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol-3-hydroxykinase/protein kinase B, PI3K/AKT)信號通路作為FOXO1的上游信號通路，通常由于RAS、張力蛋白(phosphatase and tensin homolog, PTEN)或PI3K的突變而在多種人類腫瘤中過度激活，而PI3K/AKT信號通路的激活可抑制FOXO1的轉(zhuǎn)錄活性[3]。并且，F(xiàn)OXO1作為FOXO家族的一員，因其在細(xì)胞周期阻滯、凋亡、衰老、分化、DNA損傷修復(fù)和活性氧清除等方面的重要功能，被認(rèn)為是一種腫瘤抑制因子[2]。上述研究均表明FOXO1具有腫瘤抑制功能。另外，Zhao等[4]首次將FOXO1的抗腫瘤作用與自噬聯(lián)系起來。近來的研究也表明，F(xiàn)OXO1在腫瘤的自噬調(diào)節(jié)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，但其機(jī)制未明，仍需要大量研究[5-7]。

2 自噬的調(diào)節(jié)功能

近來許多腫瘤抑制因子和癌基因產(chǎn)物被證明參與自噬調(diào)節(jié)。自噬過程可大致可分為：起始、囊泡成核、囊泡伸長和成熟、囊泡融合、底物降解五個階段[8]。ULK1(ATG1)、Beclin 1(ATG6/Vps30/BECN1)、LC3(ATG8)和p62(sequestosome 1， SQSTM1)等多種自噬相關(guān)基因(autophagy-related gene, ATG)參與自噬過程的調(diào)控。其中，ULK1、Beclin 1主要參與調(diào)控自噬的起始；LC3Ⅰ與磷脂乙醇胺(phospholipidanolamine, PE)結(jié)合形成LC3-PE復(fù)合物(LC3Ⅱ)，促進(jìn)自噬體膜的擴(kuò)張[3,8]；p62作為LC3Ⅱ的配體，在膜內(nèi)與選擇性底物結(jié)合并隨同底物被自噬降解[3,8]。目前，通過Western blot檢測Beclin 1、LC3Ⅰ、LC3Ⅱ和p62等自噬相關(guān)蛋白的表達(dá)水平，并比較LC3Ⅱ/Ⅰ大小是反映細(xì)胞自噬活性的常用方法，聯(lián)合電鏡觀察、免疫熒光法檢測LC3及使用溶酶體-蛋白酶抑制劑等可更準(zhǔn)確地判斷自噬受到的具體影響[5-6,10]。

自噬在腫瘤中是一把雙刃劍，既可以殺滅腫瘤細(xì)胞，又可以作為一種保護(hù)機(jī)制利于細(xì)胞存活[3,9]。一些研究表明，自噬調(diào)節(jié)可抑制腫瘤進(jìn)展。例如，Wang等[10]通過qRT-PCR和Western blot法等研究發(fā)現(xiàn)，長鏈非編碼RNA(long noncoding RNA, lncRNA)生長阻滯特異性5(growth arrest-specific 5, GAS5)在喉鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞中的表達(dá)水平降低，過表達(dá)GAS5可通過GAS5/miR-26a/ULK2軸，增強(qiáng)LC3Ⅱ和Beclin 1、降低p62等自噬相關(guān)蛋白的表達(dá)水平，激活自噬，從而抑制癌細(xì)胞的存活并誘導(dǎo)其凋亡。紀(jì)曉坤等[11]研究顯示，在卵巢癌SKOV3細(xì)胞中提高Beclin 1表達(dá)可誘導(dǎo)自噬并提高HLAⅠ、Ⅱ的表達(dá)，從而抑制卵巢癌細(xì)胞增殖。阮萍等[12]研究顯示，TFEB可能通過下調(diào)Beclin 1表達(dá)，抑制膽管癌的自噬，并導(dǎo)致膽管癌的發(fā)生、發(fā)展及不良預(yù)后,同樣表明自噬具有抑癌作用。然而，另有研究表明自噬可促進(jìn)腫瘤進(jìn)展。例如，與正常妊娠相比，妊娠腫瘤患者中的胎盤特異性8(placenta specificity 8, PLAC8)蛋白表達(dá)量增加。PLAC8可誘導(dǎo)自噬的異常激活，導(dǎo)致對依托泊苷(VP-16)的化療耐藥，促進(jìn)滋養(yǎng)層細(xì)胞的異常增殖，促進(jìn)妊娠腫瘤進(jìn)展[13]。沙眼衣原體感染可通過p62誘導(dǎo)HeLa細(xì)胞自噬，促進(jìn)子宮頸癌的發(fā)展[14]。在肝細(xì)胞癌(hepatocellular carcinoma, HCC)中，腫瘤抑制因子蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)λ/ι的表達(dá)水平與HCC組織學(xué)分級呈負(fù)相關(guān)，PKCλ/ι缺失可通過誘導(dǎo)自噬、氧化磷酸化和核因子紅系相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid related factor 2, NRF2)的表達(dá)促進(jìn)HCC發(fā)展[15]。

3 FOXO1與自噬調(diào)節(jié)的關(guān)系

FOXO1蛋白主要位于細(xì)胞核內(nèi)，也可通過核質(zhì)穿梭易位于胞質(zhì)。目前的研究表明，胞核FOXO1通過促進(jìn)ATG的轉(zhuǎn)錄參與自噬調(diào)控，而胞質(zhì)FOXO1則可通過與胞質(zhì)自噬相關(guān)蛋白(如ATG7)直接相互作用調(diào)節(jié)自噬，該過程與FOXO1的轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用無關(guān)[1,3-4]。有研究表明，饑餓誘導(dǎo)的大鼠新生心肌細(xì)胞體積減小與FOXO1上調(diào)自噬相關(guān)基因LC3、Gabarapl1和ATG12的表達(dá)，激活自噬有關(guān)[16]。異維A酸(13-cis-retinoic acid)可有效治療尋常痤瘡其作用機(jī)制與FOXO1誘導(dǎo)人皮脂細(xì)胞自噬激活，增加LC3Ⅱ/Ⅰ的比例，提高ULK1和ATG5的蛋白表達(dá)水平有關(guān)[17]。NAD+依賴的去乙酰化酶沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent information regulator 1, SIRT1)可介導(dǎo)饑餓小鼠心肌細(xì)胞中FOXO1的去乙?；⑸险{(diào)GTP結(jié)合蛋白Rab7的表達(dá)，進(jìn)而增加自噬體-溶酶體的融合，促進(jìn)自噬[3]。中藥成分YPHL也可通過SIRT1-FOXO1信號通路來提高骨骼肌的自噬水平，減輕胰島素抵抗[18]。PI3K/AKT信號通路下游激活的哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)可通過抑制ULK1直接抑制自噬，是自噬途徑的關(guān)鍵負(fù)調(diào)節(jié)分子[3]。FOXO1可通過誘導(dǎo)Sestrin3(SESN3)和Rictor的表達(dá)，抑制mTOR1表達(dá)，增強(qiáng)自噬[3]。據(jù)報道，F(xiàn)OXO1還可通過表觀遺傳機(jī)制來調(diào)控自噬，表觀遺傳機(jī)制反映了環(huán)境因素和基因相互作用所發(fā)生的改變，增加了自噬作為對外部刺激作出適應(yīng)性反應(yīng)過程概念的理解[1]。這些調(diào)節(jié)途徑對代謝穩(wěn)態(tài)和抗癌治療都具有重要意義。

4 FOXO1-自噬調(diào)節(jié)在腫瘤中的作用與機(jī)制

FOXO1-自噬調(diào)節(jié)在腫瘤的多種生物學(xué)過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，但也顯示出具有雙刃劍作用。一些研究表明，F(xiàn)OXO1-自噬調(diào)節(jié)具有腫瘤抑制作用。在細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)中，胞質(zhì)乙?；腇OXO1與ATG7蛋白可直接相互作用，誘導(dǎo)人結(jié)腸癌細(xì)胞自噬，增加細(xì)胞凋亡[4]。Xiao等[5]研究顯示，植物成分異硫氰酸芐酯(benzyl isothiocyanate, BITC)可抑制乳腺癌細(xì)胞增殖，誘導(dǎo)細(xì)胞死亡，該機(jī)制與BITC促進(jìn)FOXO1乙?；?，乙?；疐OXO1與ATG7蛋白相互作用增強(qiáng)，激活自噬有關(guān)。鐘桂蘭等[19]研究發(fā)現(xiàn)，植物成分紫檀芪(pterostilbene, PTE)可通過激活SIRT1-FOXO通路誘導(dǎo)人子宮頸癌HeLa細(xì)胞自噬，抑制細(xì)胞增殖并促進(jìn)細(xì)胞凋亡。Ciccarone等[20]研究顯示，三羧酸循環(huán)的關(guān)鍵酶順烏頭酸酶2(Aconitase 2, ACO2)可通過促進(jìn)線粒體氧化代謝和ROS/FOXO1介導(dǎo)的自噬，抑制乳腺癌MCF-7細(xì)胞增殖，同樣表明FOXO1-自噬調(diào)節(jié)具有腫瘤抑制作用。

然而，另有研究表明FOXO1-自噬調(diào)節(jié)具有腫瘤促進(jìn)作用。母系表達(dá)基因3(maternally expressed gene 3, MEG3)是第一個被發(fā)現(xiàn)的具有腫瘤抑制功能的lncRNA，Ye等[21]研究顯示，在神經(jīng)母細(xì)胞瘤(neuroblastoma, NB)細(xì)胞中，過表達(dá)MEG3可通過抑制FOXO1抑制自噬，抑制細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲，表明在NB中MEG3的下調(diào)可能通過FOXO1介導(dǎo)的自噬促進(jìn)NB的發(fā)生發(fā)展。He等[6]對膽管癌QBC939細(xì)胞的體外研究表明，F(xiàn)OXO1的乙?；捌渑cATG7的相互作用與QBC939細(xì)胞中血清饑餓誘導(dǎo)的自噬有關(guān)。FOXO1 siRNA或白藜蘆醇處理誘導(dǎo)的自噬障礙導(dǎo)致QBC939細(xì)胞的細(xì)胞活力下降和凋亡增加，間接表明FOXO1介導(dǎo)的自噬在膽管癌中具有促癌作用。Tian等[22]的研究顯示，miR-138-5p在缺氧誘導(dǎo)的胰腺癌細(xì)胞中表達(dá)明顯降低。過表達(dá)miR-138-5p可通過抑制SIRT1/FOXO1/Rab7途徑誘導(dǎo)的自噬，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡性死亡，同樣表明FOXO1調(diào)控的自噬在腫瘤中具有促癌作用。

上述研究表明，F(xiàn)OXO1-自噬調(diào)節(jié)在腫瘤中具有雙刃劍作用的調(diào)控機(jī)制可能與腫瘤類型、進(jìn)展階段和生存環(huán)境等相關(guān)。

5 FOXO1-自噬調(diào)節(jié)與腫瘤治療及預(yù)后的關(guān)系

5.1 FOXO1-自噬調(diào)節(jié)與腫瘤治療相關(guān)目前的研究表明，在癌前病變中誘導(dǎo)細(xì)胞保護(hù)性自噬可以防止腫瘤進(jìn)展，但在晚期腫瘤中，抑制自噬則被用作阻止癌細(xì)胞生長的一種治療策略[3]。一些研究表明，誘導(dǎo)FOXO1-自噬調(diào)節(jié)可治療腫瘤。有學(xué)者在結(jié)腸癌的研究中表明，敲低細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄因子X盒結(jié)合蛋白(X-box binding protein 1, XBP1)，可增加FOXO1蛋白表達(dá)，增加自噬通量，降低細(xì)胞活力[3,23]。而細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal regulated kinase, ERK)可增強(qiáng)XBP1與FOXO1的相互作用，促進(jìn)FOXO1降解。因此，抑制ERK可通過抑制XBP1、上調(diào)FOXO1表達(dá)激活自噬，抑制腫瘤進(jìn)展。自然殺傷(natural killer, NK)細(xì)胞是固有免疫的重要組成部分，研究表明，NK細(xì)胞發(fā)育和NK細(xì)胞誘導(dǎo)的固有免疫均需要FOXO1-自噬調(diào)節(jié)。通過上調(diào)FOXO1轉(zhuǎn)錄活性激活自噬，有望增強(qiáng)利用NK細(xì)胞抗癌免疫療法的功效[3,24]。有學(xué)者在人乳腺癌細(xì)胞中的研究顯示，植物成分BITC可促進(jìn)FOXO1乙酰化激活自噬，抑制乳腺癌細(xì)胞的生長，同樣利用了FOXO1-自噬調(diào)節(jié)的抑癌作用[3,5]。

然而，另有研究表明抑制FOXO1-自噬調(diào)節(jié)可治療腫瘤。植物天然非黃酮類多酚化合物白藜蘆醇可抑制人膽管癌QBC939細(xì)胞的FOXO1乙酰化，抑制自噬，并導(dǎo)致氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙，增加細(xì)胞凋亡，這表明FOXO1誘導(dǎo)的自噬在膽管癌中具有重要作用，抑制FOXO1有望為人膽管癌的治療提供新方案[6]。Zhang等[25]在肝癌和結(jié)腸癌細(xì)胞中的研究發(fā)現(xiàn)，化療藥物組蛋白脫乙?；敢种苿?HDACIs)可通過激活FOXO1及SESN3抑制mTOR的表達(dá)，從而激活自噬誘導(dǎo)耐藥的產(chǎn)生，聯(lián)合自噬抑制劑抑制自噬則可抑制耐藥增強(qiáng)HDACIs的化療效果，表明HDACIs和自噬抑制劑的聯(lián)合有望成為實體腫瘤更有效的治療策略。Xiao等[26]研究結(jié)果也顯示，在肝細(xì)胞癌中，HDACIs可觸發(fā)FOXO1依賴性自噬治療腫瘤，同時可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的耐藥，促進(jìn)上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化，促進(jìn)癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移，并表明HDACIs和FOXO1抑制劑AS1842856聯(lián)合可更有效地治療HCC，這與上述Zhang等的研究結(jié)果相似，并更進(jìn)一步突出FOXO1對自噬的誘導(dǎo)作用。

5.2 FOXO1-自噬調(diào)節(jié)與腫瘤預(yù)后相關(guān)近期FOXO1的ATG表達(dá)特征也被發(fā)現(xiàn)與腫瘤的預(yù)后相關(guān)，有望為腫瘤的分子靶向治療提供幫助[7,27-29]。有學(xué)者通過HG-U133A基因芯片檢測對比20對結(jié)直腸腺癌標(biāo)本及邊緣正常組織標(biāo)本發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OXO1和BCL-2相互作用蛋白1(BCL-2 interacting protein 1, BNIP1)是與結(jié)直腸腺癌臨床分期Ⅰ期最顯著相關(guān)的2個差異表達(dá)基因，有望成為結(jié)直腸腺癌臨床Ⅰ期的預(yù)后標(biāo)志物[7]。Zhu等[27]為多發(fā)性骨髓瘤(multiple myeloma, MM)建立了一個關(guān)于ATGs的預(yù)后風(fēng)險評估模型，通過單因素和多因素Cox回歸分析篩選出FOXO1等與MM的無病生存期(disease free survival, DFS)和總生存期(overall survival, OS)等顯著相關(guān)。Hu等[28]利用TCGA數(shù)據(jù)庫中ATGs表達(dá)譜為前列腺癌(prostate cancer, PCa)患者的OS和DFS建立了一個預(yù)后模型，通過多因素Cox回歸分析表明FOXO1是與PCa的DFS顯著相關(guān)的ATG，Kaplan-Meier生存分析表明FOXO1高表達(dá)患者的預(yù)后更好。Wang等[29]為低級別膠質(zhì)瘤(low grade glioma, LGG)建立了包括FOXO1等在內(nèi)的ATG預(yù)后風(fēng)險評估模型，為進(jìn)一步開發(fā)LGG的治療靶點(diǎn)提供了潛在的生物標(biāo)志物。

6 小結(jié)與展望

綜上所述，F(xiàn)OXO1是重要的自噬誘導(dǎo)因子。根據(jù)腫瘤進(jìn)展階段及所處環(huán)境條件的不同，F(xiàn)OXO1-自噬調(diào)節(jié)在腫瘤中發(fā)揮著不同的作用，可促進(jìn)或抑制腫瘤進(jìn)展。在一些腫瘤的ATG預(yù)后模型中，F(xiàn)OXO1被篩選為重要的預(yù)后標(biāo)志物。因此，進(jìn)一步研究FOXO1-自噬調(diào)節(jié)在腫瘤生物學(xué)中的確切作用機(jī)制，確定FOXO1促進(jìn)或抑制腫瘤進(jìn)展的環(huán)境條件，有望為腫瘤治療提供新方案。